3G时代通信芯片开发趋势探讨

　　虽然，中国3G演进的过程有些拖沓冗长，这其中也有一些企业的加入和离开，不过，对于这个硬件总价值高达4000亿美元的市场，前期大量的技术积累对任何企业来说都是值得的。2008年下半年注定是3G相关硬件开发的关键时期，我们在这里从基站设备和终端芯片角度与大家一起分享3G通信芯片开发的技术需求和发展趋势。

　　基站芯片

　　ABI Research表示，全球无线基站半导体市场2008年可以达到60亿美元，2010年预计将接近75亿美元，这其中中国为首的发展中国家3G网络建设是最主要的市场推动力。

　　从技术特点来说，3G以提供高速数据业务为目的，语音是GSM的特长，因此，3G基站的硬件必须在面向业务、性能提升、可灵活部署、可平滑演进的要求基础上，对语音业务进行有效地优化，从而保证3G网络提供的语音业务质量。同时，从2G到3G的演进是一个长期的过程，而且多种3G标准都将获得商用，因此，支持多标准的基站产品将成为一个重要方向。3G基站除了要提供3G的功能外，还要在硬件、软件方面考虑与2G的融合。另一个需求考虑的问题是成本，包括基站建设成本和运营成本，这就要求基站设备尽可能同时支持多个网络或者兼容提供2G服务，同时在网路升级频率提升的同时要保证设备的使用期限，此外还要尽可能减小服务器提及和功耗，以降低运营费用。

　　从这些要求可以初探对基站芯片的发展要求，首先是高性能的处理能力，作为以数据业务为主的3G网络，其单用户的下行数据量提升为至少384kbit/s，数据处理能力比GSM时提升了至少3倍，如果考虑到HSPA，数据处理需求更为明显。因此，基站处理器的处理能力必须得到大幅提升。其次，芯片灵活性的需求更为明显，由于3G基站需要支持多种标准，以及与GSM兼容，这就要求基站设计结构必须要尽可能灵活，能够在支持多种标准的同时，还要可以灵活的进行升级。要实现这些要求，必须从芯片设计上入手，不仅要满足对新业务的有效支持，还必须具有极大的灵活性，支持一定范围内的网络升级。再次，由于3G频谱变得更为珍贵，以及基站新站址投资将更加庞大，因此基站芯片要提供更好的网络覆盖和更好的功能支持，这对整个射频发射部分和PA都提出更高的需求。最后，基站的功耗已经成为运营商一个沉重的负担，基站芯片可以说是基站降耗的主力军，如何在提升处理和发射性能的同时降低芯片工作的能耗，就成为基站芯片设计必须考虑的问题。

　　图1 一种典型的网络多核处理器架构示意

　　通过这些需求，我们不难发现，原有的ASIC已经不再成为通信设备处理单元的首选，一方面由于其不够灵活的硬件结构，另一方面也不适合低功耗和低成本的发展需求。因此，FPGA和多核DSP就成为基站处理的首选，3G基站主要包括接入控制单元、基带、射频单元和功放单元，一般采用DSP、FPGA及通用控制器的混合架构体系。在无线基站网络中采用了可编程器件可以实现远程基站升级，大幅提升设备灵活性和基站设备寿命，同时避免高昂的运输费用和硬件开发费用。另外，FPGA的制程一直处于半导体领先行列，可以有效降低设备的整体功耗。如今语音、视频和数据服务成为业界潮流，下一代有线和无线基础设施对DSP的处理能力要求越来越高，一般通过增加DSP数量和提高DSP频率来满足大量并行处理能力需求，通信DSP的龙头厂商飞思卡尔、德州仪器等相继推出多核DSP.多核DSP可以满足3G服务器的多个特有需求，一是增加对多媒体和数据功能业务的支持，这是DSP的存在原因所在，二是在提升处理能力的同时又可以保持较低的功耗和系统的稳定，处理器能力的提升，需求增加芯片的处理能力，而如果增加处理器的主频需要增大功耗，采用多核处理器可以避免这个问题，通过增加核的数量提升处理能力又不增加功耗，特别的，多核处理器可以通过并行编程实现不同的功能，从而减少基站芯片的采用数量，降低成本和功耗。 
终端芯片

　　相比较2G而言，由于3G网络能够提供更大的传输速度，使消费者得以拥有更流畅完整的用户经验，包括游戏、用户界面等方面，除了手机的运算能力以外，手机服务内容供应商所能提供的服务内容将会3G发展的重要推力之一。

　　3G终端芯片将以高集成度、高性能、低功耗为特点，芯片数据处理速度大幅提升，手机芯片追求更快的数据处理速度，以实现手机多种功能，以及更高的频率以实现手机对各种应用的整合，手机芯片还必须具备强大的多媒体功能。多媒体应用芯片的研发，已成为3G手机产业的核心技术和竞争制胜的利器。除此之外，3G应用还会拉动手机基础芯片的升级，比如：电源管理、存储器等。此外，芯片将继续低成本趋势，为加速3G终端的普及，3G终端成本持续下降也成为业界另一个焦点和趋势。

　　在3G终端中，多模是一个必不可少的趋势，而多模单芯片就成为手机终端芯片发展的必然趋势。随着半导体技术的突破与手机BOM成本的持续下降，外型上轻薄短小的挑战促使手机芯片向高度集成化发展。3G手机不仅需要兼容2G网络，Wi-Fi、WiMAX、蓝牙与GPS等功能，甚至是接下来的4G，都必须在单一装置里能够支持。WiMAX Forum研究报告指出，未来双模芯片将可能取代传统的Wi-Fi芯片，成为无线宽带接取市场上的主要芯片技术。双模芯片设计还会整合多媒体编译码器如JPEG、MP3、MPEG4/H.263等，以支持各种的多媒体应用;同时还会整合USB收发器、相机影像处理等功能，也提供接口支持WLAN、IrDA、Bluetooth、USB OTG2.0等。

　　当然，多模化趋势需要芯片设计者解决许多问题，首先是射频(RF)部分如何进行整合，通常是先从相同频段、相近频段开始整合，或从应用相近开始整合，蓝牙与Wi-Fi整合为一因为都使用2.4GHz频段，射频及相关模拟前端电路有很大程度可以共享，甚至是共享同1支收发天线。进一步的，芯片业者为了达到更高的整合度，会尝试将原有各自独立设计、生产、封装的MAC芯片、RF芯片合并为一，而MAC(媒体存储控制器)部分已属数字化，因此多是使用半导体最普遍、最标准的“硅CMOS结构”制程。不过RF方面为了追求无线通讯时的收发性能表现，使用砷化镓(GaAs)、锗化硅(SiGe)等材料反而较硅为佳，同时BiCMOS结构也比CMOS结构理想，但这些材料与结构并不如硅CMOS结构的技术普及低廉，也不易与纯数字的MAC芯片整合。所以，将RF芯片电路改以标准CMOS方式实现，才便于与MAC整合，TI的数字射频处理器(DRP)即是此种作法，将射频电路尽可能数字化，并使用硅CMOS结构制造，如此不仅可与MAC芯片整合为一，进一步还能实现手机单芯片，甚至是低成本、超低成本的手机单芯片。

　　多模化要求芯片集成更高的运算能力，具体表现在MAC的硬件化程度和基带处理器的效能要求比以前更重要。与单模相比，多模时MAC不能将工作交给基带处理器，这就要求MAC尽可能用硬件进行处理。如果MAC工作交给软件实现，则会增加处理器的功耗和降低处理器对其他工作执行时间的反应速度。不过，提升MAC硬件化需要增加电路面积，同时需要较长的验证时间且错误难以修正，生产成本高但好处是功耗较低;提升基带处理器效能则要增加处理器频率，虽然避免前面的这几个问题而且成本低但功耗较高。同时，多模化也要求更多存储容量，以存储更多的协议和各种软件，这就要求对闪存的结构从单层(SLC)变为多层(MLC)来增加存储空间，好点的4T SRAM也换成DRAM结构的1T SRAM，以增加软件的执行空间。

　　据统计，到2010年，全球半导体市场的35%将属于通信半导体，市场规模接近350亿美元，这得益于3G网络在全球的大范围布设，因此，把握通信半导体技术的发展趋势，不仅对通信设备制造商非常重要，更是半导体厂商竞争中决胜的主战场。